一百多年前，一位伟大的数学家和物理学家为人类理解宇宙打开了一扇全新的大门。他提出，空间与时间并不是彼此独立的存在，而是相互交织，构成了一种贯穿整个宇宙的结构——时空。这种结构包含三个空间维度和一个时间维度，也就是我们今天熟悉的四维时空。
这位具有远见的科学家，正是留着标志性胡须的赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski），他曾是阿尔伯特·爱因斯坦的数学老师。后来，爱因斯坦以闵可夫斯基建立的平直时空为基础，将引力纳入其中，进一步发展出广义相对论，让原本平坦的时空变成了能够弯曲的几何结构。
不过，两人对时空的理解并非一开始就如此契合。爱因斯坦早期甚至认为闵可夫斯基的数学方法有些过于繁琐，称其为“多余的学识”。从这个角度来看，爱因斯坦似乎也曾低估过老师思想的价值。
但一个更令人好奇的问题始终存在：为什么我们的宇宙恰好拥有三个空间维度和一个时间维度？为什么不是四个空间维度，或者两个空间维度加两个时间维度？
一项来自数学和理论物理领域的新研究，或许为这个问题提供了一种意想不到的解释。研究人员提出，宇宙熟悉的时空结构，可能源于更深层次的几何构造，就像拼图、乐高积木，甚至K’NEX积木一样，许多微小的基本单元组合起来，最终形成我们所认识的宇宙。
这项尚未经过同行评审的预印本研究，由来自塞尔维亚贝尔格莱德大学的三位物理学家完成。他们借助一种用于探索量子引力问题的数学模型，通过模拟不同几何结构的组合，试图弄清楚：三维空间与一维时间的组合，是否可能自然地从更基础的几何单元中涌现出来。
研究采用的模型本身并不简单。它属于一种名为因果动力学三角剖分的量子引力研究框架。虽然这种理论仍然存在争议，也远不能完整描述现实宇宙，但它提供了一种有趣的方式，让科学家能够在相对简化的条件下研究时空的基本结构。
在这个模型中，研究人员将宇宙看作由大量微小几何单元组成的集合，并按照不同维度逐层构建。整个结构从四维单纯形开始，再由三维四面体、二维三角形、一维边以及零维顶点组成。换句话说，复杂的四维几何体可以被拆解成一系列更简单的基本部分，再通过这些部分之间的连接重新组合。
研究人员随后随机改变这些几何单元的边长，模拟它们在不同条件下可能形成的结构。边长的最小尺度被设定在普朗克长度附近，也就是约10^-35米。这一尺度被认为是经典物理学可能不再适用的重要界限。在如此微小的范围内，时空或许不再表现为连续、平滑的结构，而更像是由离散单元组成的几何网络。
为了让模拟尽可能具有物理意义，研究人员还参考了大型强子对撞机以及LIGO-Virgo引力波探测网络的观测限制，将研究涉及的尺度范围设定在约10^-20米至10^26米之间。需要注意的是，这些实验并没有直接观测到时空的离散结构，而是为模型参数提供了一定的约束。换句话说，如果时空真的存在类似拼图碎片的基本结构，它们很可能只会在远远小于原子尺度的范围内显现。
在几何结构的选择上，研究人员设计了三种不同的拓扑形式，并为每种形式建立了包含约10万个单纯形的模型。
第一种结构类似一个带有边界的四维球体；第二种则是没有边界、能够在整体上形成闭合结构的四维空间；第三种更加简单，可以理解为大量彼此分散的四维单纯形，就像一堆尚未拼合的拼图碎片。
接下来，研究人员对这些几何单元的边进行了不同的数学定义。有些边被视为类空间方向，其长度使用实数表示；有些则被定义为类时间方向，使用虚数表示；还有一些模型同时包含这两种特征。
通过这样的设置，研究团队得以观察，不同几何条件下，基本单元最终会形成怎样的时空结构。整个研究的数据规模相当庞大，累计完成了超过200亿次基于单纯形的模拟评估。
那么，结果究竟如何？
研究人员发现，一个相当有趣的现象出现了：在特定的数学设定下，这些随机组合的几何单元，竟然能够自发形成与我们现实宇宙相似的四维时空结构，也就是三个空间维度加上一个时间维度。
在相关模拟中，约85%的结果呈现出这种熟悉的时空特征。这意味着，在该模型所设定的条件下，三维空间与一维时间的组合，并不一定需要人为指定，也可能从更基础的几何关系中自然产生。
当然，其他类型的宇宙结构也并没有消失。
大约6%的模拟结果呈现出欧几里得几何特征，即四个空间维度，却不存在时间维度。这样的宇宙可以被想象成一个没有时间流逝的静态几何世界。
另有约8%的模拟结果则形成了更加奇特的结构：两个空间维度和两个时间维度。显然，这与人类日常经验中的宇宙有着明显区别。
值得注意的是，这些结果还会随着几何边的数学属性发生变化。当研究人员改变边的定义，将其视为类时间方向或空间与时间的混合形式时，模拟中还会出现拥有两个甚至三个时间维度的特殊结构，而不再局限于我们熟悉的闵可夫斯基时空。
研究中另一个令人意外的发现是，研究人员原本认为，要形成我们熟悉的时空结构，模型可能必须同时包含类空间边和类时间边。然而，模拟结果却显示，即使只使用类空间边，也有可能产生类似三维空间加一维时间的几何结构。
这背后的原因可能与几何单元之间的长度匹配有关。当不同边的长度无法简单地在普通空间几何中相互协调时，带有时间方向的几何结构反而可能为它们提供一种能够彼此拼合的方式。
此外，研究人员还发现，整体拓扑结构似乎没有产生特别显著的影响。无论模拟对象是带边界的四维球体、没有边界的闭合结构，还是大量彼此分散的几何单元，最终出现三维空间与一维时间组合的概率都相当接近。
这一现象或许意味着，时空维度的形成更多取决于局部几何关系，而不是整个宇宙在宏观层面上的整体形状。也有可能是当几何单元数量足够庞大时，不同拓扑结构之间的差异逐渐被平均化，从而不再明显影响最终结果。
当然，这项研究还远远不能证明我们的宇宙就是由这样的几何拼图构成的。它所使用的仍然是一个高度简化的理论模型，既没有完整纳入现实宇宙中的物理定律，也没有解释所有复杂的宇宙动力学过程。
不过，它至少提出了一种值得进一步探索的思路：我们熟悉的三维空间和一维时间，或许并不是宇宙最初就具备的基本属性，而可能是更深层次量子几何结构在特定条件下自然涌现的结果。
未来，研究人员计划引入更多动力学机制、物理定律以及不同类型的几何构造，进一步检验这种可能性。
如果这一思路最终得到更多理论和实验支持，那么人类对时空的理解或许将迎来一次新的转变：空间和时间不一定是宇宙最基本的组成部分，它们也可能像温度、压力等宏观属性一样，是由更微小、更基础的结构共同产生的涌现现象。
这项研究目前以预印本形式发表于arXiv，尚未经过同行评审。因此，它仍然是一种有待验证的理论探索，而不是已经得到证实的宇宙起源答案。
原文：sciencealert
